基于MCGS的海洋生態環境實時監測系統軟件設計

王小紅 ，馬然， 曹煊， 張述偉， 吳寧， 曹璐， 張麗， 張天鵬

(山東省海洋環境監測技術重點實驗室，山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266061)

【海洋科技與裝備】

基于MCGS的海洋生態環境實時監測系統軟件設計

王小紅 ，馬然， 曹煊， 張述偉， 吳寧， 曹璐， 張麗， 張天鵬

(山東省海洋環境監測技術重點實驗室，山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266061)

設計了基于MCGS組態軟件的海洋生態環境自動監測系統軟件，結合營養鹽、多參數、海水總有機碳等傳感器的使用，實現了對水質綜合參數、營養物質、有機物等多項海洋生態參數的實時自動監測，并通過DTU數據傳輸終端將數據實時傳送至用戶數據中心。該軟件采用模塊化設計，數據結構較穩定，可移植性和可擴展性較強，界面生動清晰，用戶操作簡單，維護方便。實驗結果表明，該軟件運行穩定，數據通信可靠，可用于海洋生態環境的實時監測。

MCGS組態軟件；海洋生態環境監測；數據傳輸單元

Abstract∶In this study, a MCGS based software for the real-time monitoring system of the marine ecological environment was developed, and the sensors such as nutrient, multi-parameter, and total organic carbon (TOC) were used together to realize the real-time and automatic monitoring of marine ecological parameters such as integrated water quality parameters，seawater nutrients and organic matters. Through the DTU data transmission terminal, the monitoring data were transmitted to the user data center in real-time. This proposed software was designed based on the imbedded module and featured with stable and flexible data structure, strong portability and extensibility, friendly interface, simple operation, and convenient maintenance. The in-field demonstration results showed that the software worked stably with the reliable data communication, and it could be applied to real-time monitoring of the marine ecological environment.

Key words∶MCGS configuration software; marine eco-environmental monitoring; data transfer unit

當前，我國面臨著嚴峻的海洋環境問題和生態問題，赤潮、綠潮等生態災害頻發，生境退化，生物多樣性降低，與民生關系密切的近岸海域尤其如此，因此，取得連續在線的海洋水質綜合參數(pH、葉綠素、濁度、溫度、鹽度等)以及營養物質(硝酸鹽、亞硝酸鹽、銨鹽、磷酸鹽、硅酸鹽、總氮和總磷等)、有機物(化學耗氧量、生物需氧量、總有機碳、多環芳烴等)、放射性物質、水中溶解氣體等海洋生態環境參數，獲取海洋生態環境長期綜合觀測資料，客觀分析海洋生態環境的現狀及動態變化趨勢，是海洋生態環境研究和保護的前提和基礎。目前，我國建設的100多個海洋環境監測站多以水文、氣象觀測為主，沒有全面開展海洋生態環境觀測，其觀測潛能被嚴重浪費，面對日益嚴峻的海洋生態環境問題，不能提供足夠的數據支持，所使用的的監測設備也嚴重依賴進口，不能完全適用于中國復雜的海洋環境監測條件[1-3]。如何充分利用現有海洋站的基礎設施、觀測設備和保障條件，開展海洋站生態環境長期綜合觀測系統集成技術研究，研制穩定可靠、自動、操作簡便、高度集成的海洋站生態環境長期綜合觀測系統，有效彌補現有海洋環境觀測體系在長期連續在線觀測方面的不足，對我國海洋環境保護和海洋生態科學研究具有深遠的意義。為此，本實驗室項目組研發了一套適用于中國海洋環境的實時監測系統。該系統基于通用監控系統 (monitor and control generated system，MCGS)的上位機軟件設計開發，能夠實現對多種海洋生態參數的實時在線數據監測、顯示、保存和網絡傳輸。

1 系統總體設計

1.1系統組成

本項目設計研發的海洋生態環境監測系統，主要由海水采集和分配子系統、監測傳感器子系統、數據采集硬件子系統和上位機軟件子系統組成。系統集成了溫度、鹽度、深度、濁度、溶解氧、葉綠素、pH、總有機碳、硅酸鹽、氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽、磷酸鹽等海水水質常規監測參數，具有可靠性高、操作簡單、維護頻次低的特點。系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構Fig.1 The overall structure of the system

1.1.1 海水采集和分配子系統

海水采集和分配子系統主要由采水模塊、水樣分配模塊和過濾模塊組成。采水和水樣分配模塊負責采集表層海水并將水樣分配到監測傳感器子系統中，進行各項生態參數的監測；過濾模塊主要由采水泵上固定的初級過濾網和口徑1 μm的二級營養鹽過濾器組成。

1.1.2 監測傳感器子系統

監測傳感器子系統主要由監測各項生態參數的傳感器組成，現階段主要集成了用于監測溫度、鹽度、深度、濁度、溶解氧、葉綠素和pH的多參數傳感器，用于監測硅酸鹽、氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽和磷酸鹽的營養鹽傳感器和用于監測海水總有機碳的TOC傳感器，同時系統為后續其他生態參數監測用傳感器集成預留了接口，3個傳感器均采用12 V供電，RS232通用接口通信，檢測范圍和準確度均達到國內外先進水平。各監測傳感器按照相應的通信協議與上位機軟件進行通信，接收上位機軟件的指令進行各參數監測，并將監測數據上傳到上位機軟件，實現對各項海洋生態環境參數的實時監測。

1.1.3硬件主控子系統

數據采集硬件子系統采用模塊化架構和總線方式的設計思想，以嵌入式低功耗CPU為核心(主頻600 MHz)的高性能嵌入式一體化工控機TPC1561Hi作為核心主控系統，具有10路RS232/485串行接口、2路CAN總線通信接口、RJ45-10/100M Ethernet網絡接口、2路USB3.0接口等豐富的系統資源，主要負責系統和各監測傳感器的供電和啟停、系統中各類泵閥器件的狀態控制，通過串口與監測傳感器實現交互，采用Mod-bus協議，與上位機軟件進行數據傳輸和通信連接，保證數據穩定可靠。

1.1.4 上位機軟件子系統

上位機軟件主要由數據采集和處理模塊、圖形用戶顯示界面、參數配置模塊、流程控制模塊、數據保存模塊和網絡傳輸模塊組成，負責與硬件主控子系統進行數據傳輸和通信連接，采集、處理、顯示、保存和調用各項生態環境參數，并將監測參數傳輸至用戶數據中心。

1.2系統工作原理

根據不同需求，軟件可設置系統為自動運行狀態和手動運行狀態，系統在兩種運行狀態下的工作原理相同：上位機根據系統流程設置向各個子系統發送泵閥控制指令和數據采集指令，各子系統收到控制指令后按照時序依次運行，分時對各監測傳感器進行數據采集，然后把采集到的各傳感器數據實時上傳至上位機軟件，上位機軟件接收、處理、顯示和保存數據。

2 系統上位機軟件設計

2.1軟件概述

上位機軟件是海洋環境實時監測系統的智能核心，采用基于Windows系統的MCGS為開發平臺，MCGS能夠通過對現場數據的采集處理，以動畫顯示、流程控制、報警處理、報表輸出等多種方式解決實際工程問題，在自動化控制領域有著廣泛應用[4-6]。系統上位機軟件采用多線程技術，利用多層架構和功能模塊化設計，能夠實現對子系統的運行控制,子系統之間的交互通信,數據采集,分析和處理,數據圖形化顯示,數據庫存儲和歷史數據調用,對外數據通信等功能。系統軟件結構設計如圖2所示。

圖2 海洋生態環境實時監測系統軟件設計結構圖Fig.2 The structure of marine ecological environment real-time monitoring system software

2.2軟件功能設計

2.2.1 軟件流程設計

軟件采用功能模塊化設計，分為TOC分析流程、多參數分析流程、營養鹽分析流程和化學清洗流程4個獨立流程，其中營養鹽分析流程又分為營養鹽前處理流程、5個營養鹽參數的單獨分析流程和營養鹽后處理流程，各流程均可實現自動化和手動控制運行。自動運行流程觸發采用時間掃描觸發方式，用戶可在時間設定界面設置每天各分析流程啟動時間，當到達某分析流程設定時間即開始該流程；手動控制運行由各流程的觸發按鈕觸發。各分析流程觸發程序框圖如圖3所示。以營養鹽分析流程自動化運行為例，其運行流程圖如圖4所示。

圖3 分析流程觸發程序框圖Fig.3 Block diagram of analysis process triggers

圖4 營養鹽自動檢測分析流程圖Fig.4 Flowchart of automatic detection and analysis of nutrients

若系統中的泵閥、傳感器或軟件程序的任何部件或環節出現異常或故障，當軟件在流程運行中檢測到之后，會立即執行異常中斷流程，將系統中的海水排空后結束流程，并在流程運行狀態欄顯示異常報警信息，以便用戶和開發人員等及時發現系統異常并對系統進行維護。

2.2.2 軟件通信設計

上位機軟件與用戶數據中心通過DTU(Data Transfer unit)實現遠程網絡通信，DTU是專門用于將串口數據轉換為IP數據或將IP數據轉換為串口數據，通過GPRS無線通信網絡進行傳送的無線終端設備，該終端具備無需后臺計算機支持，利用GPRS網絡接入穩定且速度快、永遠在線等特點[7-10]，在氣象、地質、水文水利相關工業監控、環境監測等領域有廣泛應用。DTU大都將串口數據設計成“透明轉換”的方式，即可以將串口上的原始數據轉換成TCP/IP數據包進行傳送，而不需要改變原有的數據通信內容。因此，DTU可以和各種使用串口通信的用戶設備進行連接，而且不需要對用戶設備作改動。

系統上位機軟件通過RS232串口與DTU終端通信，按照系統設定的數據發送時間，將檢測所得海洋生態環境參數根據用戶要求的數據格式打包傳輸至DTU，DTU可以將串口上的原始數據轉換成TCP/IP數據包進行傳送，不需要改變原有的數據通信內容。因此DTU接收數據后通過GPRS模塊將數據封裝成TCP/IP格式的數據包，由GPRS網絡發送至具有固定公網IP地址或固定域名的用戶數據中心，用戶數據中心可以直接讀取并分析檢測數據，實現對海洋生態環境綜合參數的遠程監測和分析。DTU數據通信系統原理如圖5所示。

圖5 DTU數據通信原理圖Fig.5 DTU data communication schematic

2.2.3 軟件界面設計

系統軟件界面主要包括主界面、參數設置界面和歷史數據界面等。主界面顯示各監測參數的實時數據、各泵閥狀態、各分析流程的手動觸發按鈕和流程運行狀態，界面設計如圖6所示。參數設置界面主要包括各分析流程的手動控制和等間隔運行控制的選擇、元器件和各傳感器手動操作設置、自動運行狀態時流程觸發時間設定、系統強制重啟和手動結束等待等操作。歷史數據界面顯示各參數的歷史數據曲線和表格，通過設置可顯示不同時間段、某個或某些參數的歷史數據曲線和表格，也可以手動觸發保存，將所需的歷史數據另存到用戶指定路徑，界面設計如圖7所示。此軟件界面設計簡單直觀，操作方便，人機界面友好，便于用戶使用。

圖6 軟件主界面圖Fig.6 The main interface of the software

圖7 軟件歷史數據界面圖Fig.7 The historical data interface of the software

3 實驗結果

系統安裝在舟山海域潮位站，在2016年3月—8月進行了為期6個月的系統試運行實驗。在試運行期間，系統每天24 h連續運行，每月進行一次周期6—9 d的現場比對監測實驗，具體實驗方法為：每天分多個時段，采集同一時間同一區域的海水，分別使用系統檢測和實驗室標準方法檢測，得到各參數的檢測數據。以2016年5月23日—31日為期9 d的比對監測實驗為例，圖8～10分別為水質綜合參數中的鹽度、溶解氧和營養物質中的硅酸鹽的比對實驗結果。比對結果表明，該系統軟件能夠實時準確地顯示、存儲和傳輸各項海洋生態環境參數，有良好的運行穩定性和數據準確度，故障率低，維護簡單方便，能夠很好地應用于海洋生態環境監測領域。

圖8 2016年5月23日—31日鹽度比對監測實驗結果Fig.8 Site comparison test results of salinity in May 23—31, 2016

圖9 2016年5月23日—31日溶解氧比對監測實驗結果Fig.9 Site comparison test results of dissolved oxygen in May 23—31, 2016

圖10 2016年5月23日—31日硅酸鹽比對監測實驗結果Fig.10 Site comparison test results of SiO42- in May 23—31, 2016

4 結語

本文設計的海洋生態環境監測系統，采用MCGS組態開發軟件，具有數據結構穩定、靈活，通用性、可移植性和可擴展性好，界面生動清晰、用戶操作簡單等優點。軟件數據采集控制靈活，可根據不同用戶實際需求進行設置，數據存儲和傳輸效率高，能夠實現實時數據的高效存儲和每日數據的網絡傳輸。

同時，系統也存在一些不足，如軟件操作界面不夠美觀大方，流程異常中斷處理和中斷恢復處理不夠全面和完善等。因此，在保證和提高系統穩定性的同時，將逐步完善系統現存的不足，提高性能，使系統能更好地應用和服務于海洋生態環境實時監測領域。

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MCGS based software design for the real-time monitoring system of marine ecological environment

WANG Xiao-hong, MA Ran, CAO Xuan, ZHANG Shu-wei, WU Ning, CAO Lu, ZHANG Li, ZHANG Tian-peng

(Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Environment Monitoring Technology, Institute of Oceanographic Instrumentation, Shandong Academy of Sciences, Qingdao 266061, China)

TP311.52

A

1002-4026(2017)05-0001-07

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.05.001

2017-05-03

國家重點研發計劃(2016YFC1400804，2016YFC1400803，2016YFC1400801)；國家自然科學基金(41206076)；山東省自然科學基金(ZR2014DM012，ZR2014YL006，ZR2016DM17)；山東省重點研發計劃(2015GGX103031)

王小紅(1989—)，女，研究實習員，碩士，研究方向為信號與信息處理、軟件研發設計。E-mail：wxh16@163.com